H) Disque Dur

Created samedi 27 février 2016

Le disque dur

Il s’agit un périphérique de stockage magnétique : il contient en général l'OS ainsi que les données personnelles.

L’abréviation HDD signifie Hard Drive Disc, encore qu'on utilise plutôt le terme "Hard Disk".
Dans un disque dur, on trouve des plateaux rigides en rotation. Chaque plateau est constitué d'un disque réalisé généralement en aluminium, qui a les avantages d'être léger, facilement usinable et non magnétique. Des technologies plus récentes utilisent le verre ou la céramique, qui permettent des états de surface encore meilleurs que ceux de l'aluminium. Les faces de ces plateaux sont recouvertes d'une couche magnétique, sur laquelle sont stockées les données. Ces données sont écrites en code binaire [0,1]
sur le disque grâce à une tête de lecture/écriture, petite antenne très proche du matériau magnétique.
Suivant le flux électrique qui traverse cette tête, elle modifie le champ magnétique local pour écrire soit un 1, soit un 0, à la surface du disque. Pour lire, c'est le même principe qui est utilisé, mais dans l'autre sens : le champ magnétique local engendre un flux électrique au sein de la tête qui dépend de la valeur précédemment écrite, on peut ainsi lire un 1 ou un 0.
Un disque dur typique contient un axe central autour duquel les plateaux tournent à une vitesse de rotation constante. Les têtes de lecture/écriture sont reliées à une même armature qui se déplace à la surface des plateaux, avec une tête par plateau. L'armature déplace les têtes radialement à travers les plateaux pendant qu'ils tournent, permettant ainsi d'accéder à la totalité de leur surface.
L'électronique associée contrôle le mouvement de l'armature ainsi que la rotation des plateaux, et réalise les lectures et les écritures suivant les requêtes émises par le contrôleur du disque.
Les firmwares des disques durs sont capables d'organiser les requêtes de manière à minimiser le temps d'accès aux données, et donc à maximiser les performances du disque.

Plateaux

Les plateaux sont solidaires d'un axe sur roulements à billes ou à huile. Cet axe est maintenu en mouvement par un moteur électrique. La vitesse de rotation est actuellement comprise entre 5400 et 15 000 tours/minute (il existe les vitesses 4 200, 5 400, 7 200, 10 000 et 15 000 tours/minute). La vitesse de rotation est généralement constante.
A noter que le 4200 tours/min a été arrêté, car trop lent.

Têtes de lecture / écriture

Fixées au bout d'un bras, elles sont solidaires d'un second axe qui permet de les faire pivoter en arc de cercle sur la surface des plateaux. Toutes les têtes pivotent donc en même temps.
Il y a une tête par surface. Leur géométrie leur permet de voler au dessus de la surface du plateau (quelques nanomètres de hauteur) sans le toucher : elles reposent sur un coussin d'air créé par la rotation des plateaux.
Le moteur qui les entraîne doit être capable de fournir des accélérations et décélérations très importantes.
Un des algorithmes de contrôle des mouvements du bras porte-tête est d'accélérer au maximum puis de freiner au maximum pour que la tête se positionne sur le bon cylindre du disque. Il faudra ensuite attendre un court instant pour que les vibrations engendrées par le freinage s'estompent.
À l'arrêt, les têtes doivent être parquées, soit sur une zone spéciale (la plus proche du centre, il n'y a alors pas de données à cet endroit), soit en dehors des plateaux.
Si une ou plusieurs têtes entrent en contact avec la surface des plateaux, cela s'appelle un atterrissage ou un crash et provoque le plus souvent la destruction des informations situées à cet endroit.
Une imperfection sur la surface telle qu'une poussière aura le même effet. La mécanique des disques durs est donc assemblée en salle blanche et toutes les précautions (joints, etc.) sont prises pour qu'aucune impureté ne puisse pénétrer à l'intérieur du boîtier.
Voici des photos de disques durs, de l'extérieur (3,5 pouces et 2,5 pouces) :

Types d'interface des disques durs

Les interfaces des disques durs ont largement évolué avec le temps dans un désir de simplicité et
d'augmentation des performances. Voici quelques interfaces possible :

obsolète sur une machine actuelle.
l'IDE. Même si cela existe encore un tout petit peu, c'est obsolète sur du matériel actuel.
compatible avec cette dernière) : c'est utilisé dans les serveurs. Le SAS est compatible SATA, mais
pas l'inverse.
ou cuivre. Principalement utilisée sur les serveurs, par exemple pour les baies de stockages (SAN).

Le temps d'accès et le débit d'un disque dur permettent d'en mesurer les performances.
L'ajout de mémoire vive sur le contrôleur du disque permet d'augmenter les performances. Cette mémoire sera remplie par les blocs suivants le bloc demandé, en espérant que l'accès aux données sera séquentiel.
En écriture, le disque peut informer l'hôte qui a initié le transfert que celui-ci est terminé alors que les données ne sont pas encore écrites sur le média lui-même. Comme tout système de cache, cela pose un problème de cohérence des données.

Capacité de stockage

Les capacités actuelles s'échelonnent entre quelques centaines de Go et plusieurs To (téra-octet). La
capacité des disques durs a augmenté beaucoup plus vite que leur rapidité, limitée par la mécanique.
Actuellement, les disques dur vont jusqu'à 4 To (cela ne va pas sans poser de problèmes), même s'il y a
des prévisions de 5 et 6 To (en remplaçant l'air pur par de l'helium à l'intérieur, par exemple).

Formats

Les dimensions des disques durs sont normalisées :



Les plus petits disques entrent dans la catégorie des microdrives, avec une taille de 1 pouce. C'est d'ailleur un ingénieur de chez Apple qui l'a inventé, en réalité pour l'iPod Nano, il a obtenu un Nobel pour ça.

Émulation

Parfois il est nécessaire d'avoir un périphérique en tout point similaire à un disque dur, mais avec des temps d'accès beaucoup plus rapides, au détriment de la capacité. Il y a deux façons d'atteindre ce but :

La technologie SSD

Un périphérique SSD (pour Solid State Drive, pas Disk) a extérieurement l'apparence d'un disque dur classique, y compris l'interface, mais techniquement, il ne contient aucun élément mécanique, les données étant stockées dans de la mémoire flash (comme une clé USB améliorée).
De ce fait, les temps d'accès sont très rapides et les débits très importants, ce qui rend la réactivité du PC vraiment impressionnante.
Cette technologie est utilisée principalement dans des environnements ou des conditions d'utilisation non adaptés aux disques durs classiques (mouvements brusques, accélérations importantes, températures extrêmes, chocs et vibrations importantes, etc.), mais aussi pour un confort important.
Actuellement, les SSD sont de plus en plus abordables, on peut facilement trouver un 120 Go à 80-90 euros (Samsung 840) ou encore un 250 Go à 150-160 euros (idem, Samsung 840).

Un SSD fonctionne de manière très différente d'un disque dur :
Il n'est pas mécanique, ne craint pas vraiment les chocs, et est massivement multitâches, là où un disque peine énormément quand on lui demande plusieurs traitements simultanés.
Etant donné qu'un PC demande de plus en plus de choses en même temps (mises à jour de divers logiciels en arrière plan, pouvoir faire plusieurs tâches en même temps), la présence d'un SSD se ressent très vite, et même une seule tâche est beaucoup plus rapide.

Les débits en lecture peuvent varier de 200 à 500 Mo/s selon les modèles, et en écriture de 70 à 500 Mo/s.
Il n'est pas sensible à la fragmentation contrairement à un disque dur, car les données sont déjà dispersées dans les diverses cellules, donc même si le système de fichier semble ensuite fragmenté, ça ne change rien, pas besoin de défragmenter. Windows s'efforce d'ailleurs de désactiver le défragmenteur en présence d'un SSD.
Aussi, afin de répartir l'usure des cellules, le contrôleur interne se charge d'écrire les données au mieux pour arriver à ce but.
Enfin, il y a aussi le TRIM : à partir de Windows 7, ce mécanisme permet de ne plus perdre en performances sur un SSD, via un effacement en arrière plan des données qu'on efface réellement, ainsi chaque cellule est toujours prête pour une nouvelle écriture.
Au niveau de la durée de vie, il peut être bon de savoir qu'il existe plusieurs types de mémoire Flash : SLC (Single Level Cell) soit 1 bit par cellule, MLC (Multi Level Cell) soit 2 bits par cellule, TLC (Triple
Level Cell) soit 3 bits par cellule).
Dans le grand public et en professionnel, c'est souvent du MLC, voire même TLC de plus en plus, sachant que la durée de vie est plus basse avec l'augmentation du nombre de bits par cellule (car on efface ou écrit une cellule entière même si on doit faire une modification sur 1 seul bit).
En pratique, via un paliatif appelé Over Provisionning (de la mémoire supplémentaire en "spare" c'est à dire en réserve), ou encore la répartition de l'usure des cellules, la durée d'un SSD reste bonne.
Un petit test à ce sujet... (lien ici)
Paradoxalement on voit que certains SSD sont garantis 3 à 5 ans, et dans le même temps les disques durs sont de plus en plus garantis seulement 1 ou 2 ans, voire un peu plus dans le haut de gamme.

Les lecteurs virtuels

Parfois aussi appelés RAM Disk. C'est un artifice qui permet d'émuler un disque dur à partir d'un espace alloué en mémoire centrale. Sa création, son effacement et son accès se font par le biais d'un logiciel et / ou pilotes spécifiques. Les temps d'accès sont extrêmement rapides; en revanche, par construction, leur
capacité ne peut excéder la taille de la mémoire RAM.
Les données étant perdues si la mémoire n'est plus alimentée électriquement, on les utilise en général à des fichiers en lecture seule, copies de données sur disque, ou a des fichiers intermédiaires dont la perte importe peu (dossiers temporaires).